自由意志真的存在嗎？利貝特誕辰│科學史上的今天：4/12

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

你應該看過一些圖，例如「旋轉的舞者」或「前進的騎士」，聽說這些圖可以判斷你是左腦人還是右腦人。

然而這些傳聞可能純屬謠言，或說是偽科學。因為一來，僅要你判斷舞者或騎士方向，無法確認你擅長用左腦還是右腦；二來不管你進行的是理性的思考，還是感性的創意，兩側的大腦都要同時使用。不管科不科學，所謂的左腦右腦開發，恐怕是史上最廣為流傳的心理學迷思吧！

正常人左右腦之間，會透過胼胝體（corpus callosum）來溝通訊息。可是，在醫療倫理未像今天這樣良好建立的時代，神經外科醫師會為癲癇病患進行一種手術，把胼胝體咔嚓切掉，讓大腦不正常的同步放電侷限在一個腦半球，減輕癲癇發作時的症狀。

胼胝體被咔嚓掉的病患，日常生活裡的人格、認知和心理，似乎沒啥重大改變，直到加州理工學院的羅傑．斯佩里（Roger W. Sperry，1913－1994）和他的學生找來裂腦人進行一系列設計巧妙的實驗，發現阻斷左右腦之間的互通有無、讓左右腦不知道另一個腦半球在想啥，會產生不少有趣的實驗結果，也揭露出腦功能側化（Lateralization of brain function）的發現。

當左右腦不能溝通，會發生什麼事？

羅傑．斯佩里因裂腦人的研究榮獲 1981 年諾貝爾生理醫學獎，當時功勞最大的學生是葛詹尼加（Michael S. Gazzaniga），他們共同在加州理工設計一系列實驗，探討裂腦人在語言、視覺和運動上的變化，透過那些實驗，他們發現一些神經認知過程，有左右腦功能側化的現象，也就是主要會由一個腦半球掌管。

此外，他們也發現左腦主要負責說話和語言能力，右腦主要掌管空間和面部辨識。在裂腦人左右腦無法溝通的情況下，研究人員分別讓左右眼觀看不同圖像，實驗者居然可以掰出自以為合理的解釋，例如給右腦看一個雪鏟，左腦看雞爪，實驗者分別用左手指著雪鏟、右手指著雞爪，說鏟子是用來清雞糞的。

裂腦研究的啟示是，大腦並不像學界曾經認定的同質化處理信息，相反的，腦組織會特化成不同模組和迴路來進行特化功能。

這個啟示是個典範轉移，因為當時美國心理學界主導的是行為主義，主張心理學應該研究「可以被觀察和直接測量的行為」，反對研究「沒有科學根據的意識」。

可是葛詹尼加創意的認知神經科學，卻開啟了對意識的科學研究，也因為認識到腦是由不同模組和迴路組成的，葛詹尼加在《我們真的有自由意志嗎？》（Who’s in Charge？: Free Will and the Science of the Brain）一書中主張：腦中沒有一個主導的命令中心，「自我」和「自由意志」都是幻覺，意識是腦整體平行而分散地運作下由「解譯器」產生的（詳情請參見《我們真的有自由意志嗎？》）。

一窺腦科學家的科學與人性面

《切開左右腦：葛詹尼加的腦科學人生》（Tales from Both Sides of the Brain: A Life in Neuroscience）是羅傑．斯佩里高徒葛詹尼加的自傳。葛詹尼加除了是位優異的學者，也相信科學家必須和社會大眾溝通，所以也寫了《大腦、演化、人》（Human: The Science behind What Makes Us Unique）、《社交大腦》（The Social Brain）、《心智問題》（Mind Matters）、《自然界的心智》（Nature’s Mind）、《倫理的腦》（The Ethical Brain）、《我們真的有自由意志嗎？》等科普書。

葛詹尼加的教職經歷很豐富，曾兩度在他的母校達特茅斯學院（Dartmouth College）任教，也兩度待過加州大學聖塔巴巴拉分校，還有在筆者我的母校加州大學戴維斯分校創立的神經科學研究中心，中間還待過紐約大學、紐約州立大學石溪分校、康乃爾大學醫學院等。此外，他創辦了《認知神經科學期刊》，還創建了認知神經科學學會。

《切開左右腦》中，葛詹尼加描述他們研究的進行過程以及科學上的意義。他一開始主要的研究是透過裂腦人進行，隨著技術的進步，他們可以利用更先進的儀器探討大腦功能，如 CT、fMRI、PET、SPECT、MEG 等等，非專家的讀者不見得需要知道這些縮寫的詳細內容，但這般在技術上與時俱進，對科學研究而言是非常重要的。

他也談到生活中相關的決定，如搬家、婚姻、旅行等等，在《切開左右腦》中讓人見識到頂尖科學家的人性層面；另外還有在團隊、期刊、學會、研討會和研究單位創建等過程中，他如何和許多學者、甚至是媒體人及政治家建立了深厚友誼，以及受到許多貴人的相助，可以看出科學研究不是單打獨鬥，人緣好也是很重要的。

整本書，完全沒有談到 KPI、SCI 和期刊論文點數，只有對研究旺盛強烈的好奇心，不像今天亞洲多國學者在政府搞不清楚狀況下，被套牢在拚論文篇數和點數的困境裡；何況從書中葛詹尼加多次在不同大學院校擔任主管、和上層應對打交道的經驗來看，愈有效率的方式往往是愈有彈性的，被一大堆規定綁死、疲於和官僚打交道，只會扼殺一流的創意、製造二流的成果。

如果你對腦科學和神經科學感興趣，《切開左右腦》是本必讀讀物。而如果是想要獻身科學研究或者只想要瞭解相關工作，《切開左右腦》同樣是本很好的參考讀物！

本文原刊登於閱讀最前線【GENE 思書軒】，並同步刊登於 The Sky of Gene。

或許你聽過棉花糖實驗，但是身為成人或青少年，棉花糖恐怕不算啥誘惑了，不過如果是金錢、榮耀、高富帥／白富美、高熱量食物、電動遊戲……呢？我們目前能抗拒誘惑，是否只是心中真正想得到的東西還未出現，又或者真是自己自制力真的特強？

棉花糖的實驗，如何討論自制力？

廣為人知的史丹佛棉花糖實驗（Stanford Marshmallow Experiment），是 1966 年到 1970 年代早期，史丹佛大學心理學家沃爾特．米歇爾在幼兒園進行的一系列關於自制力的心理學經典實驗。心理學家召集六百多名四歲兒童進行了一場簡單的實驗。每位孩子在房間裡獨處十五分鐘，面對桌上一顆棉花糖，如果研究人員回來時棉花糖還在桌上，這位孩子會多得到一塊棉花糖作為獎勵。然而若他們吃掉了棉花糖，實驗就此結束，他們也拿不到多一塊棉花糖。如果孩子沒吃掉棉花糖，則會得到第二塊。十五分鐘的等待換得報酬率百分之百的投資，對四歲孩子來說是個很不錯的交易。

不少小孩忍不住把棉花糖吃了，約有三分之一的小孩撐過了十五分鐘，得到了第二塊棉花糖的獎勵。後續的追蹤研究發現，四歲時能忍著沒吃第一塊棉花糖的孩子，長大後學業表現較佳。他們與老師、同學、父母互動較好，收入也較高而且身體也較健康等等。

簡單來說，棉花糖實驗顯示有自制力抗拒誘惑延遲滿足的人，可能在事業和人生有比較好的成就。然而，如果無法忍著不吃棉花糖，是否就注定了未來一事無成？ 有人天生自制力就較強，就像肌肉一樣，有人天生肌肉發達。但自制力能鍛鍊，也像肌肉一樣會痠痛疲憊，；如果自制力可能比智商更重要，那麼我們對下一代的教育，是否更該重視自制力養成？德國著名的神經科學家和科普作家阿希姆‧鮑爾（Joachim Bauer）的《棉花糖的誘惑：從腦神經科學看自制力》（Selbststeuerung: die Wiederentdeckung des freien Willens）談的就是這個問題。

真正的自由意志，來自於「自制」？

《棉花糖的誘惑》的寫作風格和英美科普書不同，很有德式冷靜的論證風格。阿希姆．鮑爾第一章就從哲學、神經科學及心理學的角度抨擊主張人沒有自由意志的神經科學研究和主張。

我在此專欄中介紹過這個主張，包括《我們真的有自由意志嗎？：意識、抉擇與背後的大腦科學》（Who’s in Charge? : Free Will and the Science of the Brain）和《我即我腦：從子宮孕育到阿茲海默症，大腦決定我是誰》（Wij Zijn Ons Brein），都有提到神經科學研究推翻了自由意志等等，證據是在我們的意識作出反應前的些微片刻，下意識（或稱潛意識或無意識）就先有了決定。

但是阿希姆．鮑爾認為如此解讀是個嚴重的誤解，他主要論點是我們的精神活動中，有意識的相對之下僅是一小部分，但意識和潛意識並非單向溝通、而是互相滲透的，潛意識並非自由意志的敵人。

阿希姆．鮑爾主張，真正的自由來自自制，這和千古以來哲人大德的主張一樣。只要我們能夠靜下心來思考，比較不同狀況中各個選項的利弊得失，繼而做出選擇，我們就擁有「自由意志」。他接著論證，人類天生就具有習得自制的能力，前額葉皮質裡的神經網絡是自制力的神經生物基礎，兩歲以前的教養，教導小孩不衝動行事，對妥善自制力的養成格外重要。

如果自由意志也是教育問題，社會經驗會影響大腦發育，那下一代小孩的自制力教育，大人責無旁貸，畢竟如果大人都不可靠，那怎麼奢言要小孩自我節制？阿希姆．鮑爾強調，自制力並不違背人類的真實天性，長久以來都是我們的一大生物功能，使我們在滿足立即需求與達成長期目標之間，取得健康的平衡。的確，人類相較其他靈長類親戚最大的差異之一，就是人類較發達的前額葉皮質，讓人類能夠有理性決策的能力。

如今西方國家邁向成癮社會，讓阿希姆．鮑爾感到擔憂。他探討了德國人的自我節制能力，認為無法抗拒菸酒和飲食習慣的誘惑，造就了一大批不健康的國民。他同時也批評現代媒體的過度使用，讓小孩沉迷網路世界，逃避了真實世界中更多的樂趣。

能抵抗棉花糖誘惑的小孩，長大後也比較健康。因此阿希姆．鮑爾主張，優良的醫學不應僅止於提供患者藥物、手術及療程，而應幫助患者增強心理上的自制潛能，啟動病患生理上的自癒能力；對於病人，他認為疾病的挑戰促使我們重新探索人生，若能藉此強化自我力量的覺醒，就能化危機為轉機，激發對抗阿茲海默症及癌症等重大疾病的潛能。

中庸之道：適度體會誘惑，同理並掌握自制

儘管自制力真的很重要，但《棉花糖的誘惑》的作者是德國人，而東亞社會卻有許多狀況和歐洲文化不同。如東亞社會傳統上極為強調的溫良恭儉讓，就是自制力的不同面向。我們的應試教育，除了考智商，不就是強迫小孩學習延後滿足嗎？在整個教育過程，要求小孩對抗遊樂和兩性交往的誘惑，強迫他們把滿足時間延後十幾廿年到出社會後，然後屆時才責備孩子沒有社交和兩性交往的能力。

另外，自制力應用到了極致，塑造的可能不是人，而是「超理性」的怪物，沒有同理心，無法享受生活的樂趣。一切所作所為都不是為了樂趣，全都是一項又一項的利害算計。其實這樣的人，歷史上不少，如阿道夫．希特勒，就是個野心勃勃、自制力超強的人，難道他對人類造成的苦痛會太少嗎？

因此我認為，要作為一個有同理心的人，中庸之道不是用自制力去抗拒排斥所有誘惑，而該適時適度地體驗一下誘惑的樂趣吧？

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】，並同步刊登於The Sky of Gene。